Dovezi în favoarea teoriei Big Bang

Radiaţia de fond a fost detectată în 1960, după ce, în 1948 George Gamow i-a prevăzut existenţa. Amo Penzias şi Robert Wilson au descoperit spectrul CMBR, care arată că Universul avea iniţial o  temperatură extrem de mare, dar uniformă.

Expansiunea şi răcirea Universului duc la concluzia că Universul a fost mult mai mic şi mai fierbinte.

Echilibrul elementelor uşoare (hidrogen, heliu şi litiu) existente astăzi în Univers este prevăzut de Big Bang.

Relativitatea generală spune că  Universul trebuie fie să se extindă, fie să se contracte – mărimea lui nu poate rămâne mereu aceeaşi.

Paradoxul Olbers – dacă Universul ar fi infinit de mare şi de vechi, Pământul ar primi lumină din toate colţurile cerului nopţii, care ar părea strălucitor – mult mai strălicitor decât cel mai dens câmp de stele (foto). Teoria Big Bang rezolvă acest paradox – Universul nu a existat întotdeauna.

George Gamow

George Gamow a fost un fizician american de origine ucraineană care a avut un rol important în dezvoltarea teoriei Big Bang.

Studiile sale au fost influenţate de conceptul „Big Bang” – original al lui Georges Lemaître. Împreună cu studenţii săi, Alpher şi Hermann Gamow a estimat că temperatura actuală a Cosmosului este de 5K.

Apariţia Materiei

La o microsecundă (10 ^-6 secunde) după Big Bang Universul avea o temperatură de  10 ¹³ K , suficient de rece pentru a permite combinarea dintre quarcii „sus” şi quarcii „jos” cu gluoni, formând protoni şi neutroni.

La 100 de secunde după Big Bang aveau loc ciocniri între protoni şi neutroni. Astfel au început să se formeze nuclee de He-4 (2 protoni şi 2 neutroni) şi cantităţi mici de He-3 (2 protoni şi un neutron), Li (3 protoni şi 4 neutroni) şi deuteriu (un proton şi un neutron).

Aceste reacţii, numite nucleosinteze primordiale, s-au terminat în 2-3 minute. Se formaseră deja 98% dintre atomii de He existenţi astăzi.

La aproximativ 300 000 ani după Big Bang, temperatura scăzuse la 2 700 °C iar protoni şi nucleele atomice au început să capteze electroni – s-au format primii atomi. Materia s-a separat de radiaţie, iar fotonii au fost eliberaţi în Univers. Aceştia pot fi detectaţi şi acum, după 13.7 miliarde, sub forma radiaţiei cosmice de fond de microunde.

Reconstituirea începutului Universului

În centre precum CERN (Centrul European de Cercetăti Nucleare), specialiştii în fizica particulelor clarifică amănunte mai subtile în legătură cu începuturile Universului. Ei fac particulele să se ciocnească între ele în acceleratoare de particule şi caută alte particule fundamentale.

De asemenea, sunt studiate componentele materiei şi forţele care guvernează interacţiunile lor.Fizicienii au reuşit să creeze în aceste acceleratoare de particule condiţii asemănătoare celor de la scurt timp după Big Bang, producând plasme care conţin quarci şi gluoni liberi.

La început

Big Bang nu a fost o explozie în spaţiu, a fost o expansiune a lui. Nu se ştie exact ce s-a întâmplat în primul moment de după Big Bang  (numit era Planck), dar se crede că, această perioadă a fost urmată de separarea gravitaţiei de celelalte forţe din natură, lucru ce se poate observa în imaginea de mai jos.

Separarea forţelor a provocat „inflaţia” – o perioadă scurtă de expansiune rapidă, ce a avut loc la 10^–36  secunde după Big Bang. 

Inflaţia a provocat ca Universul să fie extrem de neted şi de plat – forma lui de astăzi.

La 10^-32  secunde după Big Bang, Universul era o „supă de particule” şi antiparticule fundamentale: quarci, antiquarci, gluoni iar temperatura era 10²⁷K.

Distanţa retrospectivă

Expansiunea Universului complică exprimarea distanţelor până la obiectele cosmice foarte îndepărtate.

Când astronomii descriu distanţa până la obiecte atât de îndepărtate, folosesc distanţa „retrospectivă” sau „de călătorie a luminii”. Aceasta este distanţa parcursă de lumină prin Spaţiu pentru a ajunge la noi şi ne spune cu cât timp în urmă lumina a părăsit obiectul respectiv. Dar, pentru că Spaţiul s-a extins între timp, distanţa la care galaxia se afla când lumina şi-a început călătoria spre Pământ este mai mică decât distanţa retrospectivă.

De fapt, distanţa reală până la obiectul îndepărtat (distanţa comobilă) este mai mare decât distanţa retrospectivă. Fotografia de alăturată arată explicaţiile anterioare. În prima imagine, un foton de lumină a fost emis de Galaxia Z acum 11 miliarde ani şi a pornit spre Calea Lactee. Cele 2 galaxii se află la o distanţă de 4 miliarde ani-lumină. A doua imagine este surprinsă după şase miliarde de ani. Fotonul nu a ajuns încă la destinaţie, pentru că Spaţiul s-a extins, făcând galaxiile să se îndepărteze mai mult. În ultima imagine, fotonul ajunge la Calea Lactee, unde un observator vede galaxia Z aşa cum era în urmă cu 11 miliarde de ani (distanţa retrospectivă). Între timp, distanţa adevărată (comobilă) a crescut la 18 miliarde de ani-lumină.

Edwin Hubble

Astronomul american Edwin Hubble a trăit între 1889 şi 1953 şi a ajuns celebru prin descoperirea sa, conform căreia Universul se află în extindere. El a demonstrat că există o relaţie directă între vitezele de recensie ale galaxiilor îndepărtate şi distanţele la care se află acestea faţă de Pământ, relaţie numită legea lui Hubble.

Hubble este renumit şi pentru dovedirea faptului că galaxiile se află în exteriorul Căii Lactee şi pentru sistemul său de clasificare a galaxiilor.

Telescopul spaţial Hubble şi constanta Hubble au fost numite în onoarea lui.

Timpul şi expansiunea Spaţiului

Lumina emisă de o galaxie îndepărtată a ajuns la Pământ după miliarde de ani. Astronomii văd galaxia aşa cum era miliarde de ani. Cu cât ei privesc mai departe în Spaţiu, cu atât se apropie de începuturile istoriei Universului.

În cele mai îndepărate regiuni se văd doar galaxii incomplet formate, aşa cum arătau după Big Bang. Cele mai palide şi mai îndepărtate galaxii se îndepărtează de Pământ cu viteze apropiate de viteza luminii (300 000 km/s). La distanţe şi mai mari, dincolo de Universul observabil, ar exista alte obiecte cosmice care s-au îndepărtat atât de repede, încât lumina emisă nu a ajuns niciodată la Pământ.

Cu cât se extinde Spaţiul?

Viteza de expansiune a Universului poate fi calculată comparând distanţele până la galaxiile îndepărtate şi vitezele cu care ele continuă să se îndepărteze. Vitezele galaxiilor sunt măsurate analizând deplasarea către roşu a spectrelor lor de lumină. Distanţele sunt calculate detectând în galaxii o categorie de stele variabile, numite cefeide, şi,  măsurând ciclurile de variaţie a magnitudinilor acestora.

Rezultatul este un număr numit constanta lui Hubble – o expresie a vitezei de expansiune constante a Universului. Valoarea ei actuală este de aproximativ 80 000 km/h (mai exact  71 000 ± 2.5 km/h). Aceasta înseamnă că, de exemplu, două galaxii situate la o distanţă de un miliard de ani-lumină se îndepărtează una de alta cu o viteză de 80 de milioane de km/h. La o scară temporală este, de fapt, o expansiune foarte lentă – distanţa dintre galaxii creşte cu 1% în zeci de milioane de ani.

Gravitaţia este mai puternică decât expansiunea cosmologică şi ţine materia laolaltă. Galaxiile nu se îndepărtează una de alta. Ele vor continua so se ciocnească, (ca cele din imaginea de deasupra), în ciuda expansiunii Cosmosului. Roiurile de galaxii sunt ţinute laolaltă de gravitaţie.

Cosmologii estimează că peste 3-5 miliarde de ani galaxia noastră, Calea Lactee se va ciocni cu cea mai apropiată galaxie – Andromeda. De fapt, chiar în acest moment Andromeda se apropie de noi cu o viteză relativă  de 130 lm/s. În imaginea alăturată se poate observa coliziunea ipotetică a celor două galaxii spirale, în acest unghi relativ.

Relativitatea generală

Aceasta este teoria lui Einstein conform căreia masa distorsionează Spaţiul-timp.  Spaţiul-timp din jurul unei stele, de exemplu Soarele, este curbat de masa acestuia, creând un „puţ gravitaţional„.

După ce o stea işi epuizează combustibilul, se transformă, în funcţie de dimensiunile ei, într-o pitică albă, o stea neutronică sau o gaură neagră.

Pitica albă este o stea foarte densă, de mărimea unei planete, care produce o adâncitură mai mare în Spaţiu-timp decât Soarele.

Steaua  neutronică este o stea extrem de densă, care produce o adâncitură foarte mare în Spaţiu-timp. Aceasta deviază lumina care trece pe langă ea, dar nu o poate absorbi.

Într-o gaură neagră, toată masa este concentrată într-un punct infinit de dens din centrul ei, numit singularitate. Acest punct produce o distorsiune infinită a Spaţiului-timp, adică un puţ gravitaţional fără fund. Orice lumină care trece de limita de lângă intrarea în acest puţ, numită „orizont de eveniment”, nu se mai întoarce.